Механические свойства

Все механические свойства металлических монокристаллов анизотроп­ны. Степень проявления анизотропии, уровень параметров упругости, крат­ковременной и длительной прочности, ползучести и других характеристик определяются многими факторами: механической схемой нагружения; ти­пом кристаллической решетки; ее ориентацией к действующей механичес­кой схеме; прочностью межатомных связей; степенью проявления хими­ческой связи того или иного типа; содержанием и характером примесей замещения и внедрения; особенностями взаимодействия примесей с основ­ным металлом, степенью однородности их распределения по объему монокристаллического образца; типом и содержанием кристаллических дефек­тов, особенностями их взаимодействия с примесями; окружающей средой и способностью адсорбировать ее компоненты выходящими на поверхность кристаллографическими гранями; шероховатостью поверхности; внутрен­ними и поверхностными дефектами; температурой; скоростью испытания; масштабным фактором (от нитевидных кристаллов до крупных монокристаллических слитков). Эти факторы определяют кристаллогра­фические системы скольжения и двойникования, последовательность их включения в процесс пластической деформации монокристалла, особенно­сти взаимодействия дислокаций между собой и с примесями, особенности диффузионных процессов, возникновение и развитие микротрещин или их залечивание.

При понижении температуры может происходить переход металла из пластичного в хрупкое состояние (хладноломкость). Особенно это свой­ственно ОЦК-металлам (Сг, Мо, АУ, Ь1Ь и др.). Классический пример — хладноломкость железа. Решающее влияние на хладноломкость ОЦК-ме­таллов оказывают примеси внедрения. При этом углерод в наибольшей степени охрупчивает вольфрам и молибден, азот — хром, водород — титан и ванадий, кислород — ниобий, рений и др. Для достижения достаточно хорошей технологической пластичности в монокристаллах вольфрама и молибдена не должно содержаться >10ˉ³ ат.% С. Уменьшение содержания примесей внедрения, особенно кислорода, рез­ко повышает пластичность и снижает прочность рения (таблица 7.3).

Большое влияние на механические свойства металлов оказывают не только примеси, но и кристаллические дефекты. Пожалуй, наиболее ярким примером влияния дефектов на механичес­кие свойства металлических монокристаллов может служить феноменаль­ная прочность так называемых усов — кристаллов диаметром от 0,001 до 1-2 мкм и длиной до 10-12 мм. Прочность нитевидных кристаллов же­леза 1,3, меди — 3,0, цинка — 2,25 ГПа в 10 —15 раз выше прочности этих металлов в поликристаллическом состоянии. Прочность сильно зависит от плотности дефектов. При отсутствии де­фектов она очень велика и приближается к рассчитанной на основе элект­ростатической теории. При незначительном увеличении плотности дефек­тов прочность резко падает, а затем постепенно возрастает. Наиболее вли­яют на механические свойства металлов дислокации, в меньшей степени — точечные дефекты (вакансии и их скопления).

Субструктура монокристаллической молибденовой проволоки, сформи­рованная в результате высокотемпературного вакуумного отжига, харак­теризуется равномерным распределением дислокаций, отсутствием четко выраженных субграниц, которые практически всегда присутствуют в мо­нокристалле после электронно-лучевой зонной плавки. Относительное уд­линение проволоки с такой субструктурой составляет 35-40%, что превы­шает относительное удлинение поликристаллической молибденовой про­волоки в 1,5 раза. Еще большей пластичностью (8>50%) характеризуется монокристаллическая молибденовая проволока, полученная из заготовок, зонно-рафинированных в безмасляном вакууме.

При растяжении монокристаллов тугоплавких ОЦК-металлов анизо­тропия параметров, характеризующих кратковременную прочность, дости­гает 50%, а пластичность — 100%. Предел прочности и удлинение при растяжении монокристалла рения (при 20 °С) с ориентацией оси растяжения между направлениями [1020] и [1120] составляет соответственно 450 МПа и 40%, поликристалла рения технической чистоты — 150 МПа и 12%. Высокая пластичность монокристаллов тугоплавких металлов позво­ляет изготавливать пластической деформацией разные изделия по разным механическим схемам (прокатка, волочение, прессование). На механические свойства металлических монокристаллов влияет мас­штабный фактор. Прочность кристаллов может быть увеличена в несколько раз при уменьшении их размеров. Предел прочности, который определялся.при нагружении с постоянной скоростью, при 1400—3000 °С оказался у монокристаллической вольфра­мовой проволоки ниже, чем у мелкозернистой (рисунок 7.9).

Поиск по сайту: